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光电检测装置在工程应用中的问题分析

2019年09月12日 14:49:07 中国传动网

摘要:文中阐述了光电检测装置的基本工作原理,并对光电检测装置应用中的问题作以分析,论述了提高光电检测装置工作可靠性的具体措施。

关键词:工作原理问题分析改善措施

1.光电检测装置工作原理

光电检测装置的电路可分为主动式和被动式两类,主动式由发射和接收两部分电路组成;被动式电路无发射部分,仅由接收部分电路组成。主动式的工作过程是:当接收部分收到发射部分发射出的光信号时,电路不动作;当由于障碍物的遮挡使得接收部分收不到发射部分发射出的光信号时,电路动作。被动式的工作过程与主动式电路的工作过程相同,只是它依靠被探测物体本身发射出的光信号而动作。两者相比,由于被动式不需要发射电路,故电路结构简单,使用灵活方便,应用的领域更为广泛。

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(1)光电编码器

光电编码器,是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴,电动机旋转时,光栅盘与电动机同速旋转,经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号,其原理示意图如图1(a)所示;通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。这是目前应用最多的传感器,光电编码器的工作原理如图所示,在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条,在圆盘两侧,安放发光元件和光敏元件。当圆盘旋转时,光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化,光敏元件输出波形经过整形后变为脉冲,码盘上有相应的标志,每转一圈输出一个脉冲。此外,为判断旋转方向,码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号,如图1(b)所示。根据检测原理,编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式,可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

1)增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相;A、B两组脉冲相位差90º,从而可方便地判断出旋转方向,而Z相为每转一个脉冲,用于基准点定位。它的优点是原理构造简单,机械平均寿命可在几万小时以上,抗干扰能力强,可靠性高,适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。

2)绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制(葛莱码)方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形,绝对编码器可有若干编码,根据读出码盘上的编码,检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是:

①可以直接读出角度坐标的绝对值;

②没有累积误差;

③电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的,也就是说精度取决于位数,目前有10位、14位等多种。

3)混合式绝对值编码器,它输出两组信息:一组信息用于检测磁极位置,带有绝对信息功能;另一组则完全同增量式编码器的输出信息。

光电编码器是一种角度(角速度)检测装置,它将输入轴的角度量,利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量,具有体积小,精度高,工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。

(2)光电式接近开关

光电开关的重要功能是能够处理光的强度变化:利用光学元件,在传播媒介中间使光束发生变化;利用光束来反射物体;使光束发射经过长距离后瞬间返回。光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。发射器对准目标发射光束,发射的光束一般来源于发光二极管(LED)和激光二极管。其中控制器又由光电接收环节、抗干扰环节、放大环节、功率输出、工作指示和保护电路等几部分组成。其工作原理是通过反射光变化转化为电信号,发光器(发光头)由集成电路构成振荡器,振荡频率被调制成红外光,接收头中的光敏三极管接收红外线脉冲调制信号,当光路遮断或畅通时,光敏三极管呈截止或导通两种状态,用电感L和电容C作为并联谐振回路,作为接收管的负载,由于L、C对稳定的直流呈现低阻抗,对调制脉冲呈现高阻抗,再经过电容的隔离,就可以选出所需的调制脉冲信号,通过集成交流放大,其选通门而阻断了杂散和燥声干扰,选出信号再通过功率放大器输出,实现开、关控制。光电式接近开关广泛应用于自动计数、安全保护、自动报警和限位控制等方面。光束不间断地发射,或者改变脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择,朝着目标不间接地运行。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面,装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面的是检测电路,它能滤出有效信号和应用该信号。光电开关可分为对射型、漫反射型、镜面反射型:

1)对射型光电开关由发射器和接收器组成,结构上是两者相互分离的,在光束被中断的情况下会产生一个开关信号变化,典型的方式是位于同一轴线上的光电开关可以相互分开达50米。特征:

①辨别不透明的反光物体;

②有效距离大,因为光束跨越感应距离的时间仅一次;

③不易受干扰,可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中;

④装置的消耗高,两个单元都必须敷设电缆。

2)漫反射型光电开关是当开关发射光束时,目标产生漫反射,发射器和接收器构成单个的标准部件,当有足够的组合光返回接收器时,开关状态发生变化,作用距离的典型值可达到到3米。其特征有:

①有效作用距离是由目标的反射能力决定,由目标表面性质和和颜色决定;

②较小的装配开支,当开关由单个元件组成时,通常是可以达到粗定位;

③采用背景抑制功能调节测量距离;

④对目标上的灰尘敏感和对目标变化了的反射性能敏感。

3)镜面反射型光电开关由发射器和接收器构成的情况是一种标准配置,从发射器发出的光束在对面的反射镜被反射,即返回接收器,当光束被中断时会产生一个开关信号的变化。光的通过时间是两倍的信号持续时间,有效作用距离从0.1米至20米。其特征有:

①辨别不透明的物体;

②借助反射镜部件,形成高的有效距离范围;

③不易受干扰,可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中。

4)光电开关的主要用途分类见表1:

表1光电开关的主要用途分类

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5)光电开关通用技术参数见表2:

表2光电开关通用技术参数

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(3)红外光电检测装置

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红外线是一种肉眼看不见的光线,凡是绝对零度以上的任何物体均向外辐射红外线,只是不同温度的物体辐射出的红外线波长不同而已。红外线的两大特点是热效应和隐蔽性。人们正是利用其热效应这一特点制成了红外线传感器,进而利用红外线传感器构成各种光电控制应用电路。被动式红外线电路的一般性原理方框图如图2所示。红外线传感器把接收到的红外线光转换成电信号,放大及处理电路先对转换后的微弱信号进行放大,然后按某种方式进行处理。执行电路对前面送来的信号进行指示、记录、显示或执行一定的动作。

2.应用中问题分析

光电检测装置的发射和接收装置都安装在生产现场,在使用中暴露出许多缺陷,其有内在因素也有外在因素,主要表现在以下几个方面:

1)发射装置或接受装置因机械震动等原因而引起的移位或偏移,导致接收装置不能可靠的接收到光信号,而不能产生电信号。例如;光电编码器应用在轧钢调速系统中,因光电编码器是直接用螺栓固定在电动机的外壳上,光电编码器的轴通过较硬的弹簧片和电动机转轴相连接,因电动机所带负载是冲击性负载,当轧机过钢时会引起电动机转轴和外壳的振动。经测定;过钢时光电编码器振动速度为2.6mm/s,这样的振动速度会损坏光电编码器的内部功能。造成误发脉冲,从而导致控制系统不稳定或误动作,导致事故发生。

2)因光电检测装置安装在生产现场,受生产现场环境因素影响导致光电检测装置不能可靠的工作。如安装部位温度高、湿度大,导致光电检测装置内部的电子元件特性改变或损坏。例如在连铸机送引锭跟踪系统,由于光电检测装置安装的位置靠近铸坯,环境温度高而导致光电检测装置误发出信号或损坏,而引发生产或人身事故。

3)生产现场的各种电磁干扰源,对光电检测装置产生的干扰,导致光电检测装置输出波形发生畸变失真,使系统误动或引发生产事故。例如;光电检测装置安装在生产设备本体,其信号经电缆传输至控制系统的距离一般在20—100米,传输电缆虽然一般都选用多芯屏蔽电缆,但由于电缆的导线电阻及线间电容的影响再加上和其它电缆同在一起敷设,极易受到各种电磁干扰的影响,因此引起波形失真,从而使反馈到调速系统的信号与实际值的偏差,而导致系统精度下降。

3.改善措施

1)改变光电编码器的安装方式。光电编码器不在安装在电动机外壳上,而是在电动机的基础上制作一固定支架来独立安装光电编码器,光电编码器轴与电动机轴中心必须处于同一水平高度,两轴采用软橡胶或尼龙软管相连接,以减轻电动机冲击负载对光电编码器的机械冲击。采用此方式后经测振仪检测,其振动速度降至1.2mm/s。

2)合理选择光电检测装置输出信号传输介质,采用双绞屏蔽电缆取代普通屏蔽电缆。双绞屏蔽电缆具有两个重要的技术特性,一是对电缆受到的电磁干扰具有较强的防护能力,因为空间电磁场在线上产生的干扰电流可以互相抵消。双绞屏蔽电缆的另一个技术特点是互绞后两线间距很小,两线对干扰线路的距离基本相等,两线对屏蔽网的分布电容也基本相同,这对抑制共模干扰效果更加明显。

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3)利用PLC软件监控或干涉。在连铸生产的送引锭过程要求光电检测装置产生有时序性的电信号,同时,该信号与整个过程不同阶段相对应。如图3设施。

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在送引锭过程启动前,光电信号1为“1”。送引锭过程启动后,在A阶段,辊道启动,引锭杆上送。当引锭杆挡住光电装置发射出的红外光时,光电信号为“0”;当红外光透过引锭杆中部2个小圆孔时,光电装置发出信号2和3,均为“1”。

送引锭过程在B阶段,光电信号为“0”,辊道停下,引锭杆暂停上送,扇形10段压下,启动拉矫机和“同步1”,引锭杆继续上送。

送引锭过程在C阶段,引锭杆上送,并不再挡住红外光,光电信号4为“1”,启动“同步2”,停下“同步1”,引锭杆继续上送。至此光电装置工作过程结束。

根据光检测电装置的工作过程,只要现场测定送引锭过程中各个光电信号发生的时间,结合送引锭过程与光电信号的关系,利用PLC应用程序中的相关数据,编制符合要求的PLC程序,将PLC程序输出信号输入至PLC的输入模块,替代原光电信号的输入信号。其程序框图如图4所示。

4.结语

光电检测装置本身是由电子元器件构成,它对安装环境有一定的技术要求,特别是在较恶劣环境下使用,要采取相应的保护措施,以使光电检测装置工作在其产品要求的技术条件下,才能发挥装置的技术性能。否则光电检测装置的使用寿命及其工作的可靠性都将受到不同程度的影响。结合光电检测装置在生产过程控制中的应用实践,在控制系统设计中;不宜采用光电检测装置的信号作为重要的控制信号,以避免光电装置突然损坏或工作不稳定(环境高温、湿度大、机械振动、外力碰创等)引起其它设备事故。在控制系统中应用PLC程序实适进行过程控制的监控或干涉,以克服了因系统中采用光电装置而存在的各种缺陷,是提高系统可靠性的有效途径。

供稿:周志敏

本文链接://www.yingfuyongyi.com/tech/detail.aspx?id=37914

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